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能裂解青毒素和頭孢菌素類抗生素的β-內(nèi)酰胺環(huán)，使它們滅活的水解酶，稱為β-內(nèi)酰胺酶。以青霉素為底物的稱為青霉素酶，以頭孢菌素作為底物的稱頭孢菌素酶。根據(jù)β-內(nèi)酰胺酶的基質(zhì)特異性，可大致分為青霉素酶、頭孢菌毒酶、肟型頭孢菌素酶三類。青霉素酶易于分解青霉素類抗生素，頭孢菌素酶對分解頭孢菌素類抗生素的活性較高，肟型頭胞菌素酶則對青霉素和頭孢菌素類都有分解作用，特別更易予分解肟型頭孢菌素。產(chǎn)生青霉素酶的遺傳因子，主要基點(diǎn)在胞質(zhì)體DNA上，而產(chǎn)生頭孢菌素酶和肟型頭孢菌素的遺傳因子，則大都在宿主染色體上。青霉素酶從其基特異性或酶的生化性狀上的特點(diǎn)，又可分為5種類型(即青霉素酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型)。頭孢菌素酶和肟型頭孢菌素酶屬于菌株特有的酶，上述這些酶的精制品、用兔做免疫試驗(yàn)均可得到抗體。然而，各種類型的β-內(nèi)酰胺酶，在各自特有的免疫學(xué)方面，卻無相互交叉的現(xiàn)象。
目前，β-內(nèi)酰胺酶的氨基酸序列、立體結(jié)構(gòu)、功能及三者之間的相互關(guān)系已基本明確。β-內(nèi)酰胺酶與D-丙氨酰-D-丙氨酸轉(zhuǎn)肽酶的三維結(jié)構(gòu)相似，二者來源于同一酶家族。不同的β-內(nèi)酰胺酶，其分子一級結(jié)構(gòu)迥異，但三級結(jié)構(gòu)相似。依據(jù)Ambler分類法，B類酶即金屬β-內(nèi)酰胺酶的活性位點(diǎn)幾乎都有金屬離子Zn2+；B類酶之外的其他類酶，統(tǒng)稱絲氨酸β-內(nèi)酰胺酶，其活性位點(diǎn)都有絲氨酸(Ser70)。
絲氨酸β-內(nèi)酰胺酶在參與底物識別和催化的過程中，均依賴若干高度保守的序列，以一定空間結(jié)構(gòu)協(xié)同發(fā)揮作用。Ω環(huán)作為特別的聯(lián)體，可把親核水解反應(yīng)所需的水分子準(zhǔn)確定位。A類酶中第224位點(diǎn)的精氨酸則可同時(shí)定位另一個(gè)水分子，此雙水分子同時(shí)定位的結(jié)構(gòu)可水解克拉維酸和舒巴坦等；而C類酶無此結(jié)構(gòu)，故不能水解克拉維酸。Ω環(huán)高度保守的第166位點(diǎn)的谷氨酸可促進(jìn)β-內(nèi)酰胺酶脫?；?。Ω環(huán)與其他聯(lián)體各自作為一個(gè)結(jié)構(gòu)域單元，它們之間的相對位置所形成的空腔，即為β-內(nèi)酰胺酶與底物作用的結(jié)合腔。結(jié)合腔中央是酶的活性位點(diǎn)Ser70。Ser70的－OH、－NH－與237位點(diǎn)的丙氨酸殘基的－NH－共同構(gòu)成“氧離子口袋”，使抗生素β-內(nèi)酰胺環(huán)上的羰基極化，形成酰化酶復(fù)合物。β-內(nèi)酰胺酶的活性部位結(jié)構(gòu)，不論是源于染色體還是質(zhì)粒，都有一個(gè)α螺旋結(jié)構(gòu)域與5條反向平行的β片層結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)合腔與“氧離子口袋”的位置關(guān)系恰是α螺旋結(jié)構(gòu)域的外層與內(nèi)層的關(guān)系，該α螺旋結(jié)構(gòu)域其實(shí)更像是“@”形的結(jié)構(gòu)。通過氨基酸的替換使結(jié)合腔的結(jié)構(gòu)改變，從而具有較大空間位阻的底物可到達(dá)活性位點(diǎn)與Ser70結(jié)合，這是細(xì)菌對抗生素耐藥及耐藥譜擴(kuò)大的重要機(jī)制。金屬β-內(nèi)酰胺酶已被證實(shí)的部分酶為晶體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要相似之處為：都有與Zn+結(jié)合的保守系列HXHXD區(qū)，即116～120位點(diǎn)氨基酸；均有一個(gè)同樣的αββα的夾心結(jié)構(gòu)，其外側(cè)為兩個(gè)α螺旋，中心為β片層，β片層一端含有Zn+結(jié)合位點(diǎn)。因所含金屬離子數(shù)目各不相等，形成了酶與底物結(jié)合方式的多樣化。該類酶主要是通過金屬離子與氨基酸形成配位化合物以干預(yù)活性位點(diǎn)的反應(yīng)。而活性位點(diǎn)與Zn+親和力的強(qiáng)弱不一，這是各金屬酶水解能力互異的重要原因。
總體上分為活性位點(diǎn)含絲氨酸殘基的絲氨酸β-內(nèi)酰胺酶與活性依賴金屬離子(多為Zn2+)的金屬β-內(nèi)酰胺酶。該分類方法有助于臨床對酶抑制劑的選擇。1995年Bush-Jacoby-Medeiros(B-J-M)分類法形成并被普遍接受。該法根據(jù)抑制劑、物及結(jié)構(gòu)的不同，把β-內(nèi)酰胺酶劃分為4群。與此同時(shí)，根據(jù)氨基酸與核苷酸序列的不同，各群又分屬于相應(yīng)的分子類型。
第1群大多為染色體介導(dǎo)，少數(shù)由質(zhì)粒介導(dǎo)，均屬于不被克拉維酸抑制的頭孢菌素酶。第2群由8個(gè)亞群組成，可被β-內(nèi)酰胺酶抑制劑抑制，其中，少數(shù)不被克拉維酸抑制。該群酶的種類和數(shù)量較多，多為質(zhì)粒介導(dǎo)。第3群由3個(gè)亞群組成，其活性依賴金屬離子(多為Zn2+)的參與，因此又稱金屬β-內(nèi)酰胺酶。該群酶可使幾乎所有的β-內(nèi)酰胺類抗生素失活，如2010年引起全球廣泛關(guān)注的NewDelhimetallo-β-lactamases-1(NDM-1)就是一個(gè)耐藥性超強(qiáng)的金屬β-內(nèi)酰胺酶，故該群酶臨床上需要特別注意鑒別。隨著NDM-1超級細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)，研究者逐漸將目光更多地投向金屬β-內(nèi)酰胺酶的研究，該群酶對氨曲南敏感，可被乙二胺四乙酸(EDTA)、菲咯啉及巰基化合物抑制。第4群為青霉素酶，不為克拉維酸所抑制，分子類別待定，并尚不清楚是否被EDTA抑制。
β-內(nèi)酰胺酶對抗生素的作用主要有水解和非水解兩種方式[4]。大多數(shù)β-內(nèi)酰胺酶的活性位點(diǎn)具有一個(gè)縱行溝狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)疏松易彎曲，利于底物的結(jié)合?？股?beta;-內(nèi)酰胺環(huán)上的羰基碳可以不可逆的結(jié)合在該活性位點(diǎn)處的絲氨酸上，使抗生素β-內(nèi)酰胺環(huán)解開，造成抗生素降解，避免抗生素的檢出。另外一些抗生素如金屬酶，它們是利用二價(jià)金屬離子與組氨酸或半胱氨酸結(jié)合，并與抗生素羰基中的酰胺鍵相互作用，抑制抗生素發(fā)揮作用，避免抗生素的檢出。目前國際上研究比較活躍的是超廣譜β-內(nèi)酰胺酶和頭孢菌素酶。
抗生素是對細(xì)菌的生存構(gòu)成的選擇性壓力之一，而細(xì)菌耐藥則是對該壓力做出的自然選擇。在該壓力作用下，少數(shù)細(xì)菌成為“持留菌”并繼續(xù)生長繁殖，“持留菌”被認(rèn)為是當(dāng)前細(xì)菌感染治療無效的主要因素。新近研究逐步揭示了“持留菌”耐藥機(jī)制，即“蛋白網(wǎng)絡(luò)”理論的提出，有望使臨床耐藥菌感染的治療獲得突破性進(jìn)展。β-內(nèi)酰胺酶的產(chǎn)生與自然界微生物生成的β-內(nèi)酰胺類抗生素的刺激有關(guān)，與之相關(guān)的抗生素耐藥性繼而產(chǎn)生，因此在發(fā)現(xiàn)和使用β-內(nèi)酰胺類抗生素之前，該產(chǎn)酶菌的耐藥性已經(jīng)存在。日益廣泛而大量的β-內(nèi)酰胺類抗生素的使用，甚至濫用，加速了β-內(nèi)酰胺酶產(chǎn)酶菌耐藥性的形成及復(fù)雜化，以致耐藥菌株不斷增多。其機(jī)制除了“持留菌”的因素，還與某些β-內(nèi)酰胺類抗生素誘導(dǎo)產(chǎn)酶菌基因高突變有關(guān)；另外，產(chǎn)β-內(nèi)酰胺酶敏感菌株通過外源性質(zhì)?；?和)轉(zhuǎn)座子的橫向傳遞，接受相關(guān)的耐藥基因而耐藥。β-內(nèi)酰胺酶耐藥基因又可聯(lián)合其他類抗生素耐藥基因編碼重組，導(dǎo)致多重耐藥菌株產(chǎn)生，并且其耐藥水平藉此增強(qiáng)。細(xì)菌的耐藥水平是多種機(jī)制綜合作用的結(jié)果，這一認(rèn)識解釋了單個(gè)抗生素在治療細(xì)菌感染時(shí)往往無效甚至容易引起耐藥的原因，也是抗生素復(fù)合制劑研發(fā)的理論依據(jù)。細(xì)菌的耐藥機(jī)制從不同的層次和角度看有不同的解釋，與“蛋白網(wǎng)絡(luò)”理論相區(qū)別的細(xì)菌耐藥的經(jīng)典理論因基于細(xì)菌與抗生素相互作用的特異性而被視為“靶標(biāo)理論”。
“靶標(biāo)理論”下的細(xì)菌耐藥機(jī)制主要有5種：①生成體外生物膜，阻止抗生素的滲透。②細(xì)胞壁外膜孔蛋白減少、缺失或突變，抗生素?zé)o法導(dǎo)入菌體。③細(xì)胞壁外排系統(tǒng)主動泵出，進(jìn)入菌體的抗生素達(dá)不到殺菌濃度。④青霉素結(jié)合蛋白發(fā)生改變，以致抗生素不能干擾細(xì)胞壁的合成。該機(jī)制是革蘭陽性菌對β-內(nèi)酰胺類抗生素耐藥的主要原因，提示其與革蘭陽性菌的β-內(nèi)酰胺酶主要是胞外酶有某種相關(guān)性。胞外酶是革蘭陽性菌分泌至菌體外的β-內(nèi)酰胺酶，其中也有少量黏附在細(xì)胞質(zhì)膜上。革蘭陽性菌中只有葡萄球菌產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶。⑤生成滅活或鈍化酶類。這其中除了氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶、氨基苷類抗菌藥物鈍化酶及大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥物鈍化酶外，β-內(nèi)酰胺酶是最具臨床意義的，因?yàn)榕R床所見的耐藥菌，約80%與β-內(nèi)酰胺酶的產(chǎn)生有關(guān)。產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶并通過水解或非水解的方式使β-內(nèi)酰胺類抗生素滅活則是革蘭陰性菌對β-內(nèi)酰胺酶類抗生素耐藥的主要機(jī)制，與革蘭陰性菌的β-內(nèi)酰胺酶主要存在于周質(zhì)間隙成為胞內(nèi)酶也有某種相關(guān)性，其中有少數(shù)可通過滲透的方式轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外：①非水解方式是指抗生素分子到達(dá)周質(zhì)間隙后，β-內(nèi)酰胺酶與之合成無活性而極其穩(wěn)定的共價(jià)化合物，使之無法作用于青霉素結(jié)合蛋白的靶位而失活。相關(guān)報(bào)道中，該方式較水解方式要少見。②水解方式對于金屬β-內(nèi)酰胺酶而言，其活性位點(diǎn)上的金屬離子，通常是Zn2+與相關(guān)氨基酸結(jié)合導(dǎo)致β-內(nèi)酰胺環(huán)被破壞，進(jìn)而使抗生素失效。對于絲氨酸β-內(nèi)酰胺酶而言，這是較多見的方式。其水解過程為：絲氨酸β-內(nèi)酰胺酶與抗生素結(jié)合成非共價(jià)鍵Michaelis復(fù)合體，接著該酶活性位點(diǎn)上絲氨酸的自由羥基侵襲β-內(nèi)酰胺環(huán)，生成共價(jià)酰酯，酰酯水解使β-內(nèi)酰胺環(huán)開環(huán)，經(jīng)重排后酶失活，同時(shí)抗生素自身也被滅活?？傊绊?beta;-內(nèi)酰胺酶致細(xì)菌耐藥的因素，就其自身而言，與酶的種類、數(shù)量、位置、動力學(xué)及生理生化情況等相關(guān)；就抗生素而言，與其種類、有效濃度及其與青霉素結(jié)合蛋白的親和力等有關(guān)；另外，還與細(xì)菌所處的外界環(huán)境有關(guān)，如溫度、酸堿度、誘導(dǎo)劑或培養(yǎng)基等。
[1] 現(xiàn)代藥學(xué)名詞手冊
[2] β-內(nèi)酰胺酶耐藥機(jī)制及其中醫(yī)藥相關(guān)研究進(jìn)展
[3] 牛奶中β-內(nèi)酰胺酶來源及其檢測方法研究進(jìn)展